高炉热风炉

炼铁厂高炉主要配套的设备

高炉热风炉是炼铁厂高炉主要配套的设备之一，一般一座高炉配3~4座热风炉，热风炉的作用是为高炉持续不断的提供1000度以上的高温热风。先进的现代热风炉风温可以达到1300度。

简介

热风炉顾名思义就是为工艺需要提供热气流的集燃烧与传热过程于一体的热工设备，一般有两个大的类型,即间歇式工作的蓄热式热风炉和连续换热式热风炉。在高温陶瓷换热装置尚不成熟的当今，间歇式工作的蓄热式热风炉仍然是热风炉的主流产品。蓄热式热风炉为了持续提供热风最起码必须有两座热风炉交替进行工作。热风炉被广泛应用在工业生产的诸多领域，因工艺要求不同、燃料种类不同、热风介质不同而派生出不同用途与不同结构的热风炉。这里要介绍的是为高炉冶炼提供高温热风的热风炉，且都是蓄热式热风炉，因其间歇式的工作方式，必须多台配合以实现向高炉连续提供高风温。

分类

高炉热风炉按工作原理可分为蓄热式和换热式两种。

蓄热式热风炉，按热风炉内部的蓄热体分球式热风炉（简称球炉）和采用格子砖的热风炉，按燃烧方式可以分为顶燃式，内燃式，外燃式等几种，提高热风炉热风温度是高炉强化冶炼的关键技术。如何提高风温，是业内人士长期研究的方向。常用的办法是混烧高热值煤气，或增加热风炉格子砖的换热面积，或改变格子砖的材质、密度，或改变蓄热体的形状（如蓄热球），以及通过种种方法将煤气和助燃空气预热。

蓄热式格子砖热风炉是现代高炉、尤其是大高炉最常用的热风炉形式。

优点：换热温度高、热利用率高、工作风量大，适合于大高炉生产需要。

缺点：体积大，占地面积大，购置成本高。

换热式热风炉，主是使用使用耐高温换热器为核心部件，此部件不能使用金属材质换热器，只能使用耐高温陶瓷换热器，高炉煤气在燃烧室内充分燃烧，燃烧后的热空气，经过换热器，把热量换给新鲜的冷空气，可使新鲜空气温度达到1000度以上。

优点：换热温度高，热利用率高，体积小，购置成本低。缺点：换热温度没有蓄热式高，使用规模较小。

所需燃料

热风炉一般采用高炉煤气加焦炉煤气作燃料。现代热风炉在仅使用高炉煤气的条件下，采用预热助燃空气和煤气的方法，也可提高风温至1200~1300℃以上。

技术特征

高风温是现代高炉的重要技术特征。提高风温是增加喷煤量、降低焦比、降低生产成本的主要技术措施。随着引进卡卢金顶燃式热风炉技术，国内钢铁企业高炉的热风温度逐年升高，特别是新建设的一批大高炉（大于2000立方米）热风温度均超过1200℃，达到国际先进水平。如曹妃甸京唐公司5500立方米高炉采用卡卢金顶燃式热风炉，热风温度达到了1300℃的世界水平。

热风炉基本结构。热风炉是为高炉加热鼓风的设备，是现代高炉不可缺少的重要组成部分。现代大高炉最常用的是蓄热式格子砖热风炉，蓄热式热风炉按燃烧方式可以分为顶燃式，内燃式，外燃式等几种。其工作原理是先燃烧煤气，用产生的烟气加热蓄热室的格子砖，再将冷风通过炽热的格子砖进行加热，然后将热风炉轮流交替地进行燃烧和送风，使高炉连续获得高温热风。蓄热式热风炉有烧炉、送风两种主要操作模式：将高炉煤气燃烧对蓄热室的格子砖进行加热，即为“烧炉”操作模式，用蓄热室格子砖对冷风进行加热并送风到高炉，即为“送风”操作模式。

先进热风炉的特征。高风温、低投资、长寿命是现代热风炉的基本特征。理论研究和生产实践表明，顶燃式热风炉是最先进的热风炉结构形式，采用顶燃式热风炉结构，可以提高热风炉热效率、降低设备投资、延长热风炉寿命。

结构组成

前已述及，热风炉是一个为工艺过程提供热风的完成燃烧过程与传热过程的热工装置，其结构一定应该包含为燃料在其中燃烧的燃烧装置，和气流在其中进行热量交换的传热装置。对于为高炉提供热风的蓄热式热风炉而言，就必须有实现燃烧过程的燃烧室与燃烧器，以及堆放能完成传热过程的蓄热体的蓄热室；为了组织气流和实现气流过程的切换，实现气流分配的冷风室和各种进出口与阀门也是必不可少的。此外，由于高炉所需的热风具有一定的压力，为此一个能够承受压力的金属外壳也是必不可少的。因此，热风炉就是一个在金属外壳内砌筑耐火材料的承压容器。下面将热风炉的各个重要组成部分一一加以描述如下。

燃烧器与燃烧室

高炉热风炉的燃烧器基本上都是适于气体燃料燃烧的装置。按照气体燃料燃烧的模式，可分为预混燃烧的无焰燃烧器、半预混燃烧的短焰燃烧器、以及扩散燃烧的长焰燃烧器等。按照其结构的形式可分为圆形燃烧器、矩形燃烧器、环形燃烧器、以及其他形状的燃烧器等。按照燃烧气流的组织形态可分为旋流燃烧器、直流燃烧器、对冲燃烧器、回流燃烧器、以及其它组合型流场的燃烧器等。

为了完成燃烧过程和组织气流的形态在燃烧器后提供一个燃烧空间是必然的，这就是燃烧室。通常不同的燃烧器都配备有不同结构的燃烧室。

蓄热体与蓄热室

从燃烧室出来的烟气流向下进入堆放着蓄热体的蓄热室，蓄热室为竖向放置的筒状结构。蓄热体主要以多孔棱柱形的格子砖堆砌而成，或者由球状耐火球随机堆放而成。

炉箅子及其支撑与冷风室

蓄热室中的格子砖或耐火球是放置在蓄热室底部的炉箅子上，炉箅子本身是由炉箅子横梁与支柱来支撑的。炉箅子及其支撑通常由耐热铸铁（RQTSi4Mo，RTCr2等）铸造加工而成。由于热风炉墙体砖是砌筑在热风炉的炉底的耐热混凝土基础上的，这样炉底到炉箅子之间就有了一个相应的空间，常称为冷风室。通过此空间，高炉鼓风由此进入热风炉,再通过格子砖而被加热为热风后送入高炉，而从蓄热体流出的烟气也通过它而流进热风炉的烟道。因此,冷风室是高炉冷鼓风进入和炉内热烟气流出的一个过渡空间。

热风炉各管口

热风炉因其交替地完成炉内蓄热体的加热过程（燃料燃烧与蓄热体吸热）与送风过程（冷鼓风加热与蓄热体放热），设置不同气流的进、出口管并设置阀门以调节气流大小和实现气流的切换时是热风炉完成其向高炉输送热鼓风所必不可少的装置。主要管口与阀门为：

煤气、助燃空气进口管——是接入热风炉燃烧器主要管口，对于外置式燃烧器他们是由金属管制成，期内进行防腐内喷涂；如果是进入诸如预燃室或环形耐材砌筑的陶瓷燃烧器，是采用金属外壳内由耐火砖砌筑而成，因其所处温度不高，可用普通耐火粘土砖砌筑，对于温度变化较大的情况，可采用红柱石粘土砖砌筑；

烟气出口管——是烟气排出的通道，开口于冷风室的墙体上，通常是在金属外壳内用普通的耐火粘土砖砌筑，金属外壳一定要采用防腐内涂层；

冷风进口管——冷风管可以单独设置，也可以借助烟气出口而进热风炉，其砌筑结构与用材与烟气出口管一样。

由于这些管口均采用圆管对接热风炉圆筒体的几何结构，也就是大、小圆筒体对接的形状，结构较为复杂，多采用组合砖结构（俗称花瓣砖），用其作为砖体结构的过度带，以保证结构的完整性和分散结构应力的作用。

结构优化

热风炉技术发展历程。20世纪50年代，我国高炉主要采用传统的内燃式热风炉。这种热风炉存在着诸多技术缺陷，风温较低；20世纪60年代出现的外燃式热风炉，将燃烧室与蓄热室分开，显着地提高了风温，延长了热风炉寿命。20世纪70年代，荷兰霍戈文公司（现达涅利公司）开发了改造型内燃式热风炉，在欧美等地区得到应用并获得成功。与此同时，我国炼铁工作者自行研制的无燃烧室的顶燃式热风炉，并于上世纪70年代末在首钢2号高炉（1327立方米）上成功应用。自2002年中国引进的第一座KALUGIN顶燃式热风炉（无燃烧室的第二代卡式热风炉）投入运行，结构先进、风温提高、运行稳定的卡卢金顶燃式热风炉迅速在中国推广开来，迄今为止在中国已经有超过100座原创的卡式热风炉在运行，近5年新建的大高炉和超大高炉（例如曹妃甸京唐公司1#、2# 5500立方米高炉）普遍使用了卡式热风炉，在中国以外的日本、俄罗斯、乌克兰等国家也有100多座KALUGIN（卡鲁金）顶燃式热风炉投入使用，其中俄罗斯北方钢厂的5500立方米高炉、日本JFE公司的5000立方米高炉改造工程，都使用了卡式热风炉。顶燃式热风炉是最具发展潜力的热风炉。截至，卡式顶燃式热风炉由于具有结构稳定性好、气流分布均匀、布置紧凑、占地面积小、投资省、热效率高、寿命长等优势，已成为世界上最具发展潜力的热风炉。生产实践证实，卡式顶燃式热风炉是一种长寿型的热风炉，完全可以满足两代高炉炉龄寿命的要求。但是，国内对于高风温热风炉管系的结构设计方面还存在一些问题，耐材质量不高、施工质量差也日益成为影响热风炉质量的关键；针对国内有的企业高炉煤气含水量高、煤气质量差的情况，对热风炉高温热风出口、热风管道的可靠性设计，还需要进一步加强；高风温热风炉出现后，大高炉接受高风温的结构改进，也正在进一步研究中。

合理配置

根据实践，现代大型高炉配置3～4座热风炉比较合理。

大型高炉如果配置4座热风炉，可以实现交错并联送风，实践证明，在不提高热风炉拱顶温度前提下，能提高送风风温20℃～50℃。在炉役的中后期，还可以在1座热风炉检修的情况下，采用另外3座热风炉工作，使高炉生产不会出现过大的波动。国内外许多大型高炉都配套建设了4座热风炉。

采用3座热风炉可以大幅度降低建设投资，减少占地面积，也同样具有非常大的吸引力。3座热风炉的操作模式为“两烧一送”，风温的调节控制依靠混风实现，也同样达到了高风温的效果，这已经是国内外中小型高炉热风炉配置的趋势。

现代热风炉的发展方向是降低投资、延长热风炉寿命、强化燃烧能力、缩短送风时间、回收废气热量、提高总热效率。另外，尽量缩短送风时间的操作方式也得到重视，卡卢金公司正在全球推广的20毫米孔径格子砖顶燃式热风炉，是这种新型现代热风炉发展的典型代表，已经在俄罗斯北方钢厂5500立方米高炉、中国济南钢铁公司3200立方米高炉等多个实际工程项目上应用。

加热过程

在加热期内，在限定燃烧时间和热风炉拱顶温度后,应尽量缩短达到规定拱顶温度的时间,即缩短加热期,这样可以使蓄热期延长,使热风炉内存储较多的热量,降低送风时风温的波动。在蓄热期内，除了保证拱顶温度不变外,还需要考虑废气的温度。热风炉废气温度不能超过规定的界限，否则炉篦子支柱将被损坏,使炉体寿命降低,而且使热损失增加。欲使废气温度降低，主要采用减少煤气量的方法来解决这个问题，而煤气量的减少会导致拱顶温度下降、热风炉蓄热量降低。如何获得更多的蓄热量，同时保持废气温度在规定界限内是热风炉控制急需解决的问题。

热风炉燃烧用燃料为高炉煤气，采用过剩空气法进行燃烧控制，在规定的燃烧时间内，保持最佳燃烧状态燃烧；在保证热风炉蓄热量的同时，尽量提高热效率并保护热风炉设备。

热风炉燃烧分三个阶段：加热初期、拱顶温度管理期和废气温度管理期。

加热初期

设定高炉煤气流量和空燃比，燃烧至拱顶温度达到拱顶管理温度后，转入拱顶温度管理期。在加热初期内，高炉煤气流量和助燃空气流量均为定值进行燃烧。

在燃烧初期，为了保证空气先行而不冒黑烟，需给空气流量调节阀一个初期开度以防止煤气先行而冒黑烟。同时为避免燃烧一开始，就有大量的煤气流量产生，所以需给煤气流量调节阀一个初期开度即煤气流量模糊调节单元、空气流量模糊调节单元均选择右边煤气初期开度设定单元及空气初期开度设定单元，同时将废气温度模糊调节单元、空燃比模糊设定单元设为手动。拱顶温度开始迅速上升，当检测拱顶温度上升到接近要求温度时，将空燃比模糊设定单元置成自动，检测到的煤气流量经煤气流量模糊调节单元输出后乘以空燃比模糊设定单元输出的空燃比，从而获得空气流量设定值。在空气流量模糊调节单元内，空气流量设定值与检测到的空气流量实际值进行比较，从而决定空气流量调节阀的大小。当进入蓄热期后，将废气温度模糊调节单元置为自动，通过低选单元获得煤气流量给定值，与检测到的煤气流量进行比较，从而决定煤气流量调节阀的大小。设置低选单元的目的是为了安全起见，保证通过废气温度模糊调节单元产生的煤气流量设定值低于最大煤气流量设定值。在燃烧期内，控制的主要目标是维持拱顶温度在设定范围内，在蓄热期内，控制的主要目标变为废气温度，通过调节煤气流量的大小使废气温度控制在350℃内，当废气温度达到350℃时，发出燃烧完闷炉信号，热风炉转闷炉状态。

拱顶温度管理期

保持高炉煤气流量不变，以拱顶温度控制空燃比，增大助燃空气流量，将拱顶温度保持在拱顶目标温度附近，燃烧至废气温度达到废气管理温度后，转入废气温度管理期。在拱顶温度管理期内，高炉煤气流量为定值进行燃烧，助燃空气流量进行变化以控制拱顶温度。

注：热风炉在蓄热期的模糊控制，当拱顶温度迅速上升到其上限目标后，进入蓄热期，又叫做拱顶温度管理期。进入管理期后，需保持拱顶高温，保证蓄热室充分蓄热。管理期燃烧系统的控制尤其重要，从管理期开始进行模糊控制，使得废气温度按恒定速率上升，蓄热室能够充分蓄热且煤气利用率最高。当废气温度达到上限时，停止加热。

废气温度管理期

依据废气温度逐渐减小煤气流量，同时以拱顶温度调节控制助燃空气流量，将拱顶温度保持在拱顶目标温度附近，至废气温度达到废气目标温度后，如果热风炉燃烧制选择为“废气温度到”，则燃烧过程结束；如果选择为“燃烧时间到”，则调节煤气流量减小到仅供热风炉保持热状态的需要，直到燃烧时间到时燃烧过程结束。

提高寿命

现代高炉多采用蓄热式热风炉，因此，提高热风炉传热效率对提高风温有着重要意义。而增加格子砖的加热面积是提高传热能力的重要技术措施之一。卡卢金公司首先发明并正在着力推广的20毫米孔径格子砖，与常规的30毫米孔径格子砖相比，单位体积加热面积由48平方米/每立方米提高到64平方米/每立方米，并且在热风炉整个运行期间不会发生渣化现象。

热风炉耐火材料内衬在高温、高压环境下的工作条件十分恶劣。为了使热风炉满足高风温的要求，延长其使用寿命，对热风炉耐火材料的质量以及砌体的设计都有很严格的要求。如何根据热风炉各部位的工作温度、结构特点、受力情况及化学侵蚀的特点，选用不同性能的耐火材料，是钢铁企业关注的重点。

此外，加强热风炉热风管系的受力分析与计算，对热风管路进行优化设计，也是提高风温的重要措施。对承受高风温、高压管道的波纹补偿器以及管道支架的设置应进行详细的受力分析，特别是对承受高温热膨胀位移和高压产生的压力位移的管道，在设计中要给予充分的重视。

技术措施

燃烧理论和生产实践已证实，提高煤气热值是提高风温的有效措施。而国内钢铁企业高热值煤气燃料缺乏是高风温的主要制约因素之一。为实现高风温，钢铁企业应采取了以下针对性技术措施：

一是采用煤气、助燃空气低温双预热技术。该技术利用助燃空气和煤气通过热管换热器对热风炉进行预热，当预热温度达到200℃时，可以提高热风炉的理论燃烧温度和拱顶温度。首钢3号高炉采用煤气、助燃空气双预热技术以后，风温提高了50℃～70℃。

二是采用高炉煤气低温预热及助燃空气高温预热技术。利用热风炉烟气余热，通过分离式热管换热器将热风炉用高炉煤气预热到200℃；利用卡式助燃空气预热炉将助燃空气预热到600℃。京唐公司5500立方米高炉热风炉采用了此技术。但由于大型高炉煤气清洗系统处理能力不足，造成煤气温度高、饱和水和机械水含量高，使煤气热值严重降低。他们随后在煤气管道上配置了旋流脱水装置，降低了煤气含水量。实测表明这项技术的实施，可提高风温15℃～20℃。

三是采用高炉煤气干法除尘技术。采用高炉煤气干法除尘，可显着减少高炉煤气中的含水量。在同等条件下，高炉煤气热值可提高约200千焦/立方米。

我国高炉风温水平有显着提高，新型卡式热风炉利用高炉煤气即可达到1250℃以上的高风温，并且正在发展1300℃以上的高风温热风炉。我国热风炉结构形式比较复杂，还有大量的内燃式、外燃式热风炉处于待改造阶段。结合国内钢铁企业的实情，推广引进新型高风温热风炉技术，高效利用低热值高炉煤气实现高风温将是炼铁工作者今后工作的重点。

助燃空气

一般普通的高炉热风炉，投资成本高，而且需要切换，温度不稳定，且体积大，占用面积也大；易堵塞、更换成本高。

然而动辄几百甚至上千万的热风炉让许多中小型炼铁厂望尘莫及，因此就让许多可利用的能源白白地浪费掉了。不过，荣华节能陶瓷换热器有限公司生产的陶瓷热风炉已攻克这一难关。陶瓷热风炉，体积小，热风温度高，而且稳定，适合各种炼铁企业使用。

1．在炼铁高炉煤气，用热风炉也预热助燃空气，助燃空气温度一般情况下可达到1100——1250度，陶瓷热风炉可以达到此温度。

2．使用寿命上，一般情况下陶瓷热风炉是其他热风炉几倍或几十倍。

3．使用方法简单，直接快捷，并使用寿命长，投资小，免人工操作，免机械操作，不漏气，不堵塞，维修快捷。

控制过程

（1）燃烧控制

用微机控制的自动燃烧形式和方法很多，应用较为普遍的是采用废气含氧量修正空燃比，热平衡计算、设定负荷量的并列调节系统。它是根据高炉使用的风量、需要的风温、煤气的热值、冷风温度，热风炉废气温度，经热平衡计算，计算出设定煤气量和空气量。燃烧过程中随煤气量的变化来调节助燃空气量，采用最佳空燃比，尽快使炉顶温度达到设定值，并保持稳定，以逐步地增加蓄热室的储热量，当废温度达到规定值时(350℃)热风炉准备换炉。采用废气含氧量分析作为系统的反馈环节，参加闭环控制，随时校正空燃比。

（2）高炉热风温度的控制

调节阀的开度，来控制先行(凉)炉、后行(热)炉的送风流量，保持高炉热风温度的稳定。使用该制度时混风大闸可以关闭。当热风炉高炉的热风温度。

（3）换炉控制

按时间指令进行换炉的自动控制：当先行热风炉送风时问达到设定值时，发出换炉指令，将先行燃烧炉按停止燃烧转送风程序，转入送风状态。然后将先行送风炉，按停止送风转燃烧程序，转入燃烧状态。如果是采用“两烧一送”的送风制度，送风炉送风时间达到设定值时发出换炉指令，按程序换炉。按温度指令进行换炉的自动控制：当先行送风炉的送风温度低于设定值时(测点在热风出口)发出换炉指令，按停止燃烧转送风的程序，将先行燃烧炉转送风状态，然后按停止送风转燃烧的程序，将先行送风炉转入燃烧状态。如果采用“两烧一送”的送风制度，送风炉的风温低于设定值后发出换炉指令，进行换炉操作。

（4）休风控制

一般休风控制为半自动操作，分以下两种：

A、倒流休风；

B、正常休风。

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